차세대 연료전지의 새로운 전해질 합성법 개발

- 프로톤 세라믹 전해질의 소결 온도를 획기적으로 낮출 새로운 합성법 개발

- 획기적 공정개발로 프로톤 세라믹 전지의 경제성 및 고성능화 동시 달성

 

가역운전을 통해 전력발전 뿐만 아니라 그린수소 및 다양한 화학연료 생산이 가능한 프로톤 세라믹 전지가 친환경 고효율 에너지 변환 장치로 주목받고 있다. 하지만 난소결성인 프로톤 세라믹 전해질을 치밀한 막으로 제작하는 전지 제조과정에서 전해질의 물성저하가 발생하여 상용화 단계로의 진입이 어려운 실정이었다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 수소에너지소재연구단 지호일 박사, 금오공과대학교 최시혁 교수 연구팀은 차세대 고효율 세라믹 전지인 프로톤 세라믹 전지의 전해질의 치밀화 과정을 유발하는 소결 온도를 획기적으로 낮출 수 있는 신규 합성법을 개발했다고 밝혔다.

 

저온합성으로 제조된 프로톤 세라믹 전해질이 소결되는 원리

전해질, 전극 등 모든 구성요소가 세라믹과 같은 금속산화물로 구성된 기존의 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Cell; SOC)는 전력 생산과 수소 생산이 동시에 가능하다. 특히, 600℃ 이상의 고온에서 작동하기 때문에 다른 연료전지 대비 전력 변환 효율이 높다는 장점이 있으나, 고온 내구성을 지닌 재료를 사용하기 때문에 생산비용이 높고 장기간 작동 시 열화로 인한 성능 저하가 유발되는 한계가 있다.

최근, 고체산화물 전지 중 수소이온인 프로톤(Proton)을 사용하는 프로톤 세라믹 전지(Protonic Ceramic Cell; PCC)가 차세대 연료전지로 주목받고 있다. 산소이온을 전달하는 기존 전해질과 달리 크기가 작은 수소이온을 전달하기 때문에 높은 이온전도도를 구현할 수 있다. 그러나 프로톤 세라믹 전지의 전해질을 제작하기 위해서는 1,500℃ 이상 고온에서의 소결이 필요한데, 이 과정에서 구성물이 휘발 또는 석출되는 현상은 전해질의 성능을 저하하고 있어 프로톤 세라믹 전지의 상용화에 걸림돌이 되고 있다.

연구팀은 소결 온도를 낮추기 위해 전해질 소재를 합성하는 새로운 공정을 개발했다. 일반적으로는 하나의 화합물로 구성된 분말을 소결해 프로톤 세라믹 전지의 전해질을 제작한다. 하지만 소결 온도를 낮추기 위해 투입된 첨가제가 전해질에 잔류해 전지의 출력밀도를 저해하는 문제가 발생했다. 연구팀은 저온 합성을 통해 두 종류의 화합물이 혼합된 분말을 전해질로 제조했을 때, 소결 특성이 우수한 하나의 화합물로 합성되는 소결 가속화 과정에서 첨가제 없이도 소결 온도가 1,400℃로 낮아지는 것을 확인했다.

 

단일상(A) 및 이중상(B) 프로톤 세라믹 전해질 소결 거동 비교

새로운 공정으로 합성된 프로톤 세라믹 전해질은 낮은 온도에서도 치밀한 막을 형성해 전지의 전기화학적 특성을 향상시켰다. 또한, 이 전해질을 실제 프로톤 세라믹 전지에 적용했을 때, 우수한 프로톤 전달 특성이 발현돼 600℃에서 기존 대비 약 2배 향상된 출력밀도(950mW/cm2)를 달성했다. 이를 통해 공정 시간을 단축하고 열적 안정성 및 세라믹 전해질의 성능 향상을 동시에 달성할 수 있을 것으로 기대된다. 연구진은 향후 프로톤 세라믹 전지 상용화를 위해 두 화합물 간 소결 가속화 현상을 이용한 새로운 공정을 대면적 전지 제작에 적용할 예정이다.

KIST 지호일 박사는 "본 연구를 통해 프로톤 세라믹 전지 제작 과정 중 고질적인 소결 문제를 해결할 수 있었다"라며, "대면적화 기술이 성공적으로 개발되면 전력 생산과 수전해를 통한 그린수소, 원자력 발전소의 폐열을 활용한 핑크수소 생산 기술로 활용해 에너지의 효율적인 관리가 가능해질 것"이라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 미래수소원천기술개발사업(2021M3I3A1084278), 산업통상자원부(장관 안덕근) 신재생에너지핵심기술개발사업(20223030040080)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Advanced Energy Materials」 (IF 24.4, JCR 분야 2.6%)에 게재됐다.논문명은 Dual-Phase Reaction Sintering for Overcoming the Inherent Sintering Ability of Refractory Electrolytes in Protonic Ceramic Cells이다. 저자는 김준석 박사 후 연구원(제1저자/The University of Utah), 지호일 책임연구원(교신저자/KIST 수소에너지소재연구단), 최시혁 교수(교신저자/금오공과대학교 기계공학과) 등이다.

□ 연구개요

○ 연구내용

이번 연구에서는 두 가지 상이 공존하는 전해질을 저온합성법으로 제조하고 이를 프로톤 세라믹 전지 제작에 적용함으로써 물성저하가 억제된 치밀한 전해질막을 기존 소결온도보다 낮은 온도에서 형성할 수 있었다. 저온합성 전해질 소재에 존재하는 두 가지 상(dual-phase) 중, 소결특성이 우수한 하나의 상이 초기 소결특성을 지배하고 잔존하는 난소결 상이 오스트발트 라이프닝(Ostwald ripening) 현상으로 입성장이 이루어진 상으로 흡수되면서 최종 단일상(single-phase)을 형성하는 새로운 반응소결 공정을 개발한 것이다. 그 결과, 높은 온도의 소결 공정에서 발생했던 전해질 구성 물질 휘발이나 석출 현상을 억제할 수 있었으며, 전해질의 우수한 고유 프로톤 전달 물성을 전지에 그대로 발현할 수 있었다.

○ 기대효과

이번 연구는 차세대 고효율 세라믹 전지인 프로톤 세라믹 전지의 전해질 소결특성을 향상시킴으로써 전지의 특성 향상과 공정 단순화를 가능하게 하여, 향후 프로톤 세라믹 전지의 상용화 진입을 앞당기고 수소경제 활성화에 기여할 것으로 기대된다.

□ 용어해설

1. 고체산화물전지

세라믹 물질(대표적으로 금속산화물)을 기반으로 제작된 에너지변환 전기화학 전지로서, 산소이온을 전도하는 산소이온전도성 세라믹 전해질 소재를 사용하는 고체산화물전지(solid oxide cell, SOC)가 가장 일반적이다. SOC의 경우, 통상 700°C 이상의 고온에서 작동하며, 고온 작동으로 인한 물질 열화 및 그에 기인한 장기안정성 저하가 주요 한계점으로 지적되고 있다.

2. 프로톤 전도성 세라믹

산소이온을 전달하는 SOC의 전해질 물질과는 달리, 수소이온(프로톤)을 물질 내에서 전달하는 세라믹으로, 바륨계 페로브스카이트 산화물이 대표적이다. 상대적으로 크기가 작은 프로톤을 전달하기에 600°C 이하의 온도 구간에서도 높은 이온전도도가 구현된다고 알려져 있으며, 수전해전지는 물론 역운전을 통한 연료전지 및 가스센서, 수소분리막 등의 분야에서도 높은 관심을 불러일으키고 있다.

3. 소결 온도

소결 온도(燒結 溫度, Sintering Temperature)는 금속 분말, 세라믹 분말, 혹은 기타 재료들이 고체 상태에서 고온으로 가열되어 하나의 고체 덩어리로 결합되는 소결(sintering) 과정에서 사용되는 온도를 의미한다. 소결 온도는 주어진 재료의 화학적 성분, 입자 크기, 소결 조건 등에 따라 달라질 수 있으며, 소결 공정의 중요한 변수 중 하나이다.

KIST 홍보실 제공